JP2005535886A - ネットワーク・モバイル通信デバイスの相対位置を決定するための方法およびシステム - Google Patents

ネットワーク・モバイル通信デバイスの相対位置を決定するための方法およびシステム Download PDF

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ロラバウフ，シー．，ブリトン
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ディーアールエス コミュニケーションズ カンパニー，エルエルシー
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    • G01S11/02—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using radio waves

Abstract

モバイルの無線ネットワーク・グループを形成する複数のモバイル通信デバイスの相対位置が、グループのモバイルの各々で、グループのモバイルの実際の位置から離れた場所から得られた外部位置決め情報を必要とすることなく決定される。相対位置はグループのモバイルで、各モバイルで作成されたモバイルからモバイルへのレンジ測定値、移動の距離および方向の測定値、ならびに高度測定値に基づいて決定される。

Description

(関連出願の相互参照)
本出願は、本出願の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に組み込まれている、2002年8月13日に出願した米国特許仮出願60/402964の権利を主張するものである。
本発明は一般に目標物の相対位置を決定することに関し、より詳細には、リモートで生成された位置決め情報を使用することなく、複数の無線ネットワーク・モバイル通信デバイスの相対位置を決定することに関する。
警察官、消防士、救助隊員または軍人などの個人のグループはしばしば、密集した市街地で業務を行う必要がある。このような地域で活動している間、これらの個人はしばしば、互いの場所の正確かつ最新の知識を維持することが困難または不可能であることに気付く。これは、市街地の構造により個人の間の視覚的接触が妨げられるからである。視覚的接触を確立することができない結果として、都市環境における軍人はしばしば味方の誤射の犠牲者になる。同様に、警察官、消防士および軍人は、すぐ付近にいる可能性があるがなお視覚的に気付かれない可能性がある、倒れた同僚を助けることができない。
現在の電子位置標定システムは、グループの個人が都市環境内に位置しており、グループの個人の間の視覚的接触が困難または不可能であるときに、個人のグループの一員である一個人にグループ内の他の個人の位置についての現在情報を提供する問題に対する、満足できる解決策を提供しない。例えば、全地球測位衛星(「ＧＰＳ」)ナビゲーション・システムは通常、ビルの内部またはビルの谷間において不十分に機能する。同様に、ＦＣＣのE911イニシアティブにより開発されたものなど、携帯電話を位置付けるための位置決定システムは通常不適切である。これは、生成された位置決め情報の精度が不十分であり、位置の記述が２次元にのみ制限され、多数のグループが業務を行うことが必要となる地域で常に使用可能であるとは限らない高度な固定インフラストラクチャに依存するからである。
したがって、グループの一部ではなく、その中にグループが位置決めされる地域からリモートに位置する、外部ソースから得られた位置決め情報を使用することなく、グループのメンバーである個人の相対位置を自動的に決定するためのシステムおよび方法についての必要性が存在する。
本発明によれば、情報を無線で互いに通信してネットワーク・グループを形成することができる、複数のモバイル通信デバイスの各々は、グループ内の他のモバイルに相対的なその位置を決定し、この決定は、モバイルの各々が他のモバイルの各々に対してそのレンジを計算するか、あるいは、グループの別のモバイルからそこで計算されたレンジ情報を受信すること、その移動の距離および方向を監視すること、その高度を監視すること、および、他のモバイルから、それらの各高度および移動についての情報を得ることに基づく。このように、レンジ、移動および高度情報のみに基づいて、すなわち、グループのモバイルの位置から離れた場所から得られた全地球測位システム(「ＧＰＳ」)衛星情報などの外部位置決め情報を使用することなく、モバイルの各々はグループ内の他のモバイルの各々に対するその相対距離および方位を決定する。
好ましい実施形態では、モバイルの無線ネットワーク・グループの各モバイルは、無線データおよび測距トランシーバ・モジュールに結合された位置処理モジュール・プロセッサを含む。測距トランシーバ・モジュールは、他のネットワーク・モバイルの各々の測距トランシーバ・モジュールと無線通信して、そのモバイルとグループ内の他のモバイルの各々の間のレンジを計算するための情報を得る。モバイルの各々における位置処理モジュールはこのレンジを使用して、ネットワーク・モバイルの実際の位置の仮想コンステレーションおよび実際の位置仮想コンステレーションの反射の仮想コンステレーションを構成する。モバイルの各々における移動査定モジュールは、モバイルの移動の距離および方向を監視する。移動査定モジュールはまた、他のネットワーク・モバイルからデータ・トランシーバ・モジュールで受信された高度データに鑑みて、共通較正点に対する対象モバイルの高度をも測定する。位置処理モジュールは、そのモバイルで収集され、データ・トランシーバ・モジュールで他のモバイルから受信された、移動(距離および方向)データを使用して、２つの可能なコンステレーションに関するいかなる潜在的反射曖昧性をも解決し、それにより、真のコンステレーション形状を識別する。好ましい実施形態では、位置処理モジュールは高度データを使用して真のコンステレーションの向きを真の水平面に対して調節する。さらに好ましい実施形態では、位置処理モジュールは距離および方向データを使用して、真のコンステレーションの向きをアジマスに対して調節する。結果として生じる、向きを調節された真のコンステレーションは、ネットワーク・グループ内のモバイルのすべての相対位置、すなわち向きを調節された幾何学的形状を表す。
本発明の他の目的および利点は、以下の現在好ましい実施形態の詳細な説明から明らかになり、その説明は添付の図面と共に考慮されるべきであり、図面において同様の参照は類似の要素を示す。
本発明によれば、各個人が他の個人の各々と無線通信してネットワーク・モバイルのグループを形成するためにモバイル通信デバイスを携行する、グループ内の個人の相対位置は、ＧＰＳ情報など、グループが活動中である可能性のある様々な場所でしばしば使用不可能である外部位置決め情報を使用することなく、モバイルの各々で決定される。図１は、警察官、消防士、警備員または軍人など、個人Ａ，Ｂ，ＣおよびＤのグループが、ＧＰＳベースまたは類似の外部電子信号位置決めシステムが不十分に機能するか、あるいは完全に機能しない可能性のある典型的な環境である、高層ビル内およびその周囲の場所にどのように分散される可能性があるかを例示する。各個人の位置が点として表される場合、グループの形成を、図２に示すような空間における点のコンステレーションと見なすことができる。いかなる瞬間にも、これらの個人の場所は、真のコンステレーションの３次元形状を一意に定義する。本発明の特徴を例示するため、図２の個人の各々は、本発明により構成され、機能するモバイル通信デバイスを携行すると仮定される。
本発明の好ましい実施形態によれば、モバイル・ネットワーク・グループ内の個人の相対位置は、グループが少なくとも４つのネットワーク・モバイル101を含む限り、グループ内の個人の各々によって携行されたモバイル通信デバイス101で決定される。相対位置決定は、グループの１つのモバイルで、この１つのモバイルでのモバイルからモバイルへのレンジ・データ、モバイル移動データおよび高度データの収集、ならびに、グループ内の他のモバイルの各々からこの１つのモバイルに送信された高度および移動データの受信に基づいて実行される。モバイルの各々は、収集されたデータおよび受信されたデータを使用して、グループ内のモバイルの相対位置に対応する真のコンステレーションと同じ形状および方向付けを有する仮想コンステレーションを構成する。
図３は、本発明によるモバイル101の好ましい実施形態である。図３を参照すると、モバイル101は、測距トランシーバ・モジュール102、移動査定モジュール103、データ・トランシーバ・モジュール104、位置処理モジュール105および位置表示モジュール106を含む。データ・トランシーバ・モジュール104は、測距トランシーバ・モジュール102、移動査定モジュール103および位置処理モジュール105の各々に結合される。位置処理モジュール105は、位置表示モジュール106および移動査定モジュール103に結合される。測距モジュール102はアンテナ120に結合され、データ・トランシーバ・モジュール104はアンテナ122に結合される。本発明のモバイル101のモジュールの各々は、データ処理オペレーションを実行するとして後述されるが、ソフトウェア・モジュール、または別法として、ハードウェア・モジュール、またはハードウェア/ソフトウェアの組み合わせのモジュールを構成することを理解されたい。加えて、各モジュールは、ＲＡＭなど、本発明による処理オペレーションを実行するためのデータおよび命令の格納のためのメモリ・ストレージ・エリアを適切に含む。別法として、処理オペレーションを実行するための命令を、モジュールの１つまたは複数におけるハードウェア内に格納することができる。さらに、本発明によれば、モバイル101のモジュールを適切なように複合モジュールに結合することができることを理解されたい。また、アンテナ120および122は、従来技術において周知の従来のデバイスであり、単一の統合アンテナに結合することができ、これもまた当技術分野で周知である。
測距トランシーバ・モジュール102は、無線周波数(「ＲＦ」)信号など、従来の無線の受信器および送信器を含み、その測距トランシーバ・モジュール102が含まれるモバイルと、ネットワーク・グループ内の他のモバイルの各々の間の距離を決定するためのデータを収集する。好ましい実施形態では、トランシーバ・モジュール102は、アンテナ120を介して、それ自体と別のモバイルのトランシーバ・モジュール102の間で無線測距リンク107を確立する。無線測距リンクに基づいて、対象モバイルのトランシーバ・モジュール102は、それ自体とグループ内の他の各モバイルの測距トランシーバ・モジュールの間の信号通過時間を測定する。信号時間通過データから、２つのモバイルの間のレンジは、周知の技術を使用して容易に計算される。
好ましい実施形態では、測距トランシーバ・モジュールは、測距のために、ハイ・レートのＰＮシーケンスによって変調されたＲＦ搬送波を使用する。もう１つの好ましい実施形態では、測距のために使用される信号は、超広帯域(「ＵＷＢ」)信号である。ＵＷＢは有利であり、これは、(1)ＵＷＢは実質的に無限の周波数ダイバーシティを提供し、したがって、測距信号が幅広い種類の一般の建築材料を通過することができることを保証するため、(2)ＵＷＢ信号は検出および傍受の確率が低いため、(3)ＵＷＢで使用される狭いパルス幅(500ピコ秒)により、１フィート未満までの測距精度が可能となるため、(4)ＵＷＢ信号を世界中のどこでも、地域の民間および軍用周波数割り振りプランに適合するか、あるいはそのプランに合わせて調整する必要なしに、使用することができるためである。
移動査定モジュール103は電子コンパスを含み、対象モバイルの移動を距離および方向に関して測定する。好ましい実施形態では、モジュール103は、モバイルが移動中でないか、未知の方向に移動中であるか、既知の方向に移動中であるかを決定する。モバイルが既知の方向に移動中である場合、移動査定モジュール103はその方向を決定する。さらに、移動査定モジュール103は、対象モバイルの高度を、そのモバイルが使用のために初期化されるときに設定される基準高度に対して測定する。好ましい実施形態では、モジュール103は気圧高度計を含み、これは一般にスイス・アーミー・ウォッチまたはポータブルＧＰＳ受信器に含まれるものなどであり、基準高度として設定される共通較正点の高度に対する相対高度を測定するために圧力差を使用する。
データ・トランシーバ・モジュール104は、ＲＦ信号など、従来の無線の受信器および送信器を含み、アンテナ122を介して、それ自体とグループの他のネットワーク・モバイルのデータ・トランシーバ・モジュール104の間で情報を交換する。各モバイルでのデータ・モジュール104は、その高度および移動測定値を他のモバイルへ、それ自体と様々なモバイルのデータ・トランシーバ・モジュール104の間で確立された無線データ・リンク108を介して送信する。対象モバイルの測距トランシーバ・モジュールが別のモバイルに対するモバイルからモバイルへの距離を直接測定できない、好ましい実施形態では、その他のモバイル、または別法として、グループのモバイルのうち別のものは、この測距情報を対象モバイルへ、そのデータ・トランシーバ・モジュールと対象モバイルのデータ・トランシーバ・モジュール104の間で確立された無線データ・リンク108を介して搬送する。
位置処理モジュール105は、モジュール102からの測距データ、モジュール103で収集された測定値および高度データ、ならびに、モジュール104で受信されたいかなるレンジおよび高度データをも検索して、以下で詳述するように、ネットワーク・モバイルの相対位置を計算する。
位置表示モジュール106は、処理モジュール105で計算されるネットワーク・モバイルの相対位置を表示する。好ましい実施形態では、モジュール106は、大型の高耐久性ＰＤＡに似た表示ユニットを含む。さらに好ましい実施形態では、モジュール106は、グループの選択されたモバイル内に含まれない。
好ましい実施形態では、本発明のモバイルは第１のコンポーネント構造を含み、これにはアンテナ120および122ならびに移動査定モジュール103は含まれず、ほぼコードレス電話の受話器のサイズであり、身に付けられるか、あるいは衣料品に取り付けられるように構成される。移動査定モジュール103は第２のコンポーネント構造として実施され、好ましくは、コードレス電話の受話器と同じかまたはそれより小さいサイズであり、ベルトまたはズボンのベルト通しに取り付けるように構成される。アンテナ120および122は第３のコンポーネント構造として実施され、好ましくはシャツの襟に容易に取り付け可能である。モバイルの第１、第２および第３のコンポーネント構造は、互いに電子的に結合される。さらに好ましい実施形態では、モバイル・コンポーネント構造は、使用のために取り外しやすくするように、ホルスター内で携行されるように構成される。
もう１つの好ましい実施形態では、位置表示モジュール106は電子コンパス・モジュール(図示せず)を含む。このコンパス・モジュールは電子コンパスを含み、これは、移動査定モジュール103内に含まれた電子コンパスとは異なる電子コンパスである。このコンパス・モジュールは、モジュール105によって生成された相対位置データを処理し、制御信号を表示モジュール106に適切に提供して、表示が異なる方向に向けられる場合でも、計算された相対位置のグラフィカル表示が、実際の環境内の対応する特徴と共に、表示された相対位置の向きを調節するように回転されるようにする。
図４は、本発明による、グループのモバイルの相対位置を決定するための、無線ネットワーク・モバイルのグループのモバイルの各々で実行されたデータおよび計算の測定および収集を例示する、高レベル流れプロセス150の図である。プロセス150、および、図６〜８の説明に伴うテキストでさらに詳細に説明するプロセス150のステップに対応するプロセスを例示するため、図２に示す個人Ａ，Ｂ， ＣおよびＤを参照する。その各々はモバイル101を携行中である。また、参照を容易にするため、図２に示すグループの個人を以下でモバイルＡ，Ｂ，ＣおよびＤと称する。また、モバイル101の各々は３つの部分の電子的に結合されたユニットの形態であり、これには、(i)移動査定モジュール103の第１のユニットであり、移動査定モジュール103内の加速度計がフット・ステップ、すなわち移動を感知することができることを保証するために、個人のベルト上に着用されるもの、(ii)アンテナ120および122の第２のユニットであり、信号送信および受信機能を最大化するために個人の身体の上部に着用されるもの、および、(iii)モジュール102，104，105および106を含む第３のユニットであり、実質的に個人の身体のどこかで着用することができるものが含まれると仮定される。
図４を参照すると、ステップ152で、各測距トランシーバ・モジュール102は、グループ内のモバイルの各々に対するモバイルからモバイルへの距離を測定し、そのメモリ内にそのレンジを、関連付けられたタイム・スタンプと共に格納する。別法として、ステップ152で、モバイルＡなど、第１のモバイル内のデータ・トランシーバ・モジュール104は、タイム・スタンプ付きのモバイルからモバイルへのレンジ・データを、モバイルＢまたは別法としてモバイルＣもしくはＤなど、第２のモバイルから、第２のモバイルＢによって第１のモバイルＡに対して行われたモバイルからモバイルへの距離測定値に基づいて、受信する。
ステップ154で、位置処理モジュール105は、ローカルまたはリモートで測定されたモバイルからモバイルへの距離を使用して、幾何学的形状または仮想コンステレーション201Aおよび201Bのミラー・イメージ・ペアを計算する。これらのコンステレーションの一方は、以下で詳述する図４のステップ160に示す、グループ内の個々のモバイルの位置によって定義された実際の真の幾何学的形状205に適合する。すなわち、モバイルからモバイルへのレンジ情報のみに基づいて、モバイルは、グループのモバイルの実際の位置の真のコンステレーションと同じ形状を有する、推定された位置の仮想コンステレーションを計算する。したがって、レンジ情報により、反射内まで、グループ内の個々のモバイルの位置によって定義された幾何学的形状を決定することができることが可能となる。
モバイル内の位置処理モジュール105がモバイルからモバイルへのレンジ情報に基づいて決定する仮想コンステレーションは、真のコンステレーションの方向付けに対するヨー、ピッチおよびロールを示す任意の方向付けにおけるものである。この幾何学的形状の方向付け(ヨー、ピッチ、ロール)または絶対位置(ｘ,ｙ,ｚ)または(緯度、経度、高度)をレンジ情報のみに基づいて決定することは可能ではない。仮想コンステレーションは観測不可能な仮想南北(「Ｎ-Ｓ」)軸を有し、仮想コンステレーションが真のコンステレーションに対して正しく向きを調節されるとき、仮想Ｎ-Ｓ軸は真のＮ-Ｓ軸と平行するようになる。ヨーは、水平面で、真のＮ-Ｓ軸と仮想Ｎ-Ｓ軸の間で測定された角度である。同様に、仮想コンステレーションは観測不可能な仮想上下(「Ｕ-Ｄ」)軸を有し、コンステレーションが正しく向きを調節されるとき、仮想Ｕ-Ｄは真のＵ-Ｄ軸と平行するようになる。ピッチは、垂直の南北面で、真のＵ-Ｄ軸と仮想Ｕ-Ｄ軸の間で測定された角度である。ロールは、垂直の東西面で、真のＵ-Ｄ軸と仮想Ｕ-Ｄ軸の間で測定された角度である。
プロセス150のステップ156、158および160は、本発明によれば、ＧＰＳ情報を使用することなく、２つのコンステレーションのいかなる潜在的反射曖昧性もが解決されること、および、幾何学的形状の適切な方向付けが決定されることに備える。ステップ156で、モバイルの各々における位置処理モジュール105は移動および高度データを収集し、このようなデータを関連付けられたタイム・スタンプと共にそのメモリ内に格納する。加えて、グループのモバイルはそれらの各移動および高度測定データを、各データ・トランシーバ・モジュール104によって生成された無線通信リンク108を介して、互いに共有する。
ステップ158で、位置処理モジュール105は、ローカルおよびリモートで測定された高度データを使用して、仮想コンステレーションのペアに対応する２つのイメージの各々について、水平面に対する適切な方向付けを決定する。水平方向付け処理を適用した結果は、ピッチおよびロールにおいて向きを調節される仮想コンステレーション203Aおよび203Bのミラー・イメージ・ペアである。
ステップ160で、各位置処理モジュール105は、ローカルおよびリモートで測定された移動データを使用して、仮想コンステレーションのミラー・イメージ・ペアから正しいイメージを選択し、選択されたイメージの、アジマスに対する適切な方向付けを決定する。ステップ162で、位置表示モジュール106は、ステップ160で決定されたグループのモバイルの相対位置を表す出力を、モニタ・デバイス上に提供する。
好ましい実施形態では、モバイルは継続的に、グループ内の個人の位置を追跡し、これらの位置を、大型のＰＤＡに似たハンドヘルド・デバイス上に表示する。さらに好ましい実施形態では、位置処理モジュール105は、真のコンステレーションを表す相対位置データをデータ・トランシーバ・モジュール104にルーティングし、モジュール104はアンテナ122を介して、モバイルの相対位置をリモート・コマンド・ポストに送信する。
(モバイルの実際の位置によって定義された幾何学的形状の決定)
再度図４を参照すると、ステップ152で、グループの各モバイル内の測距トランシーバ・モジュール102はグループ内の他のモバイルの各々と通信して、対象モバイルと他のモバイルの各々の間の直線距離を決定する。例えば、モバイルＡ内の測距トランシーバ・モジュールは、ＲＦ信号など、時間符号化された無線信号をモバイルＢに送信する。この送信に基づいて、モバイルＢの測距トランシーバ・モジュールは、ＲＦ信号がモバイルＡの測距トランシーバ・モジュールからモバイルＢの測距トランシーバ・モジュールへ伝播するために要する時間を測定することができる。モバイルＢ内の測距トランシーバ・モジュール102が適切な伝播時間データを収集した後、そのデータ・トランシーバ・モジュール104はこの伝播時間データをモバイルＡのデータ・トランシーバ・モジュール104へ、ＲＦ搬送波信号上で送信する。グループ内のモバイルＡ，Ｂ，ＣおよびＤはしたがって、ステップ152で、ネットワーク内で協調的に動作して、グループ内の各モバイルから他のあらゆるモバイルへの距離を決定するために必要な伝播時間データを収集する。
ステップ154で、モバイルの各々について収集された伝播時間データに基づいて、例えばモバイルＡなど、モバイルでの位置処理モジュールは、モバイルＡとモバイルＢ、ＣおよびＤの各々の間の距離を計算する。グループのモバイルの各々でのモバイルからモバイルへの距離測定値のみに基づいて、いかなる既知の固定基準位置もなしに、位置処理モジュールは、グループ内の個々のモバイルの位置によって定義される幾何学的形状または仮想コンステレーションのミラー・イメージ・ペアを構成する。距離測定値が正確である場合、形状のペアは正確に一致するようになる。しかし、実際的なシステムでは、ある測定誤差があり得る。好ましくは、仮想コンステレーションは、グループのモバイルの実際の位置の真のコンステレーションの形状の最適な推定値である形状を有する。
図５Ａおよび５Ｂはそれぞれ、図２に示すモバイルＡ，Ｂ，ＣおよびＤのための真のイメージのコンステレーション203Aおよびミラー・イメージのコンステレーション203Bを例示する。コンステレーション203Aは、例のために真の幾何学的形状であり、グループ内のモバイルのすべての実際の幾何学的形状に一致する。図２に示すモバイルに対応する真のコンステレーションを表す仮想コンステレーション・ペアのイメージである、図５Ａを参照すると、モバイルＤ，ＣおよびＢの順序は、モバイルＡから見るとき、時計回りである。図５Ｂに示す反射イメージでは、モバイルＤ，ＣおよびＢの順序は、モバイルＡから見るとき、反時計回りである。
好ましい実施形態では、モバイルの位置処理モジュールは、ある測定誤差を有する、収集されたレンジ情報を使用して、線形最小２乗計算を実行して、グループ内の様々なモバイルの位置によって定義された幾何学的形状を推定する。最小２乗計算の使用により、不完全なレンジ測定値があるところで幾何学的形状の最適な推定値が生じ、これはこの推定値が、不完全な測定値のセットから作成することができる可能な推定値のすべての最小２乗レンジ誤差を有するからである。位置処理モジュールは、ローカル座標系を任意に確立して、推定を容易にする。このローカル座標系内で、ノードＮＰおよびノードＮＱと指定されたモバイルまたはノードのペアは、それぞれ座標位置(ｘＰ,ｙＰ,ｚＰ)および(ｘＱ,ｙＱ,ｚＱ)に位置する。ＮＡとＮＢの間の推定レンジを以下のように計算することができる。
Figure 2005535886
線形最小２乗計算は、座標において線形であるレンジ推定誤差のための方程式を必要とする。方程式(1)を、推定位置(ｘＰ,ｙＰ,ｚＰ)および(ｘＱ,ｙＱ,ｚＱ)についての切り捨てられたテイラー級数展開を生成することによって線形化することができる。この級数が切り捨てられて、すべての２次以上の項が除去され、以下が得られる。
Figure 2005535886
ただし、ｒＰＱはノードＮＰとノードＮＱの間の測定されたレンジである。レンジ推定誤差をＲＰＱ＝ρＰＱ−ｒＰＱとして定義し、方程式(2)を以下のように書き換えることが好都合である。
Figure 2005535886
好ましい実施形態では、この形状は、３つのモバイルの位置を使用してローカル座標系の軸を特定の方法で定義することによって、推定される。ローカル・ノード、すなわち、推定を実行する特定のモバイルは、ノードＮ０と指定され、ローカル座標系の基点に配置され、ｘ０＝０，ｙ０＝０およびｚ０＝０となる。ローカル・ノードが測距することができる最初のリモート・ノードはノードＮ１と指定される。このノードは、ローカル座標系の正のｘ軸上に配置され、ｙ１＝０およびｚ１＝０となり、Ｎ０およびＮ１のためのレンジ推定誤差方程式(3)は、以下のように簡約される。
Figure 2005535886
ローカル・ノードが測距することができる第２のリモート・ノードはノードＮ２と指定される。このノードは、ローカル座標系のｘ-ｙ面内に配置され、そのためｚ２＝０であり、Ｎ０およびＮ２のためのレンジ推定誤差は、以下のように簡約される。
Figure 2005535886
Ｎ１およびＮ２のためのレンジ推定誤差は、以下のように簡約される。
Figure 2005535886
ローカル座標系が、ローカル・ノードおよび最初の２つのリモート・ノードの位置によって固定された後、すべての他のリモート・ノードの位置はローカル座標軸に対して制約されない。１つの制約なしのリモート・ノードから別のものへのレンジ推定誤差には、方程式(3)に示す６つの項のすべてが含まれるようになる。ノードＮ０から制約なしのノードへのレンジ推定誤差は、以下の形式に簡約される。
Figure 2005535886
ノードＮ１から制約なしのノードへのレンジ推定誤差は、以下の形式に簡約される。
Figure 2005535886
ノードＮ２から制約なしのノードへのレンジ推定誤差は、以下の形式に簡約される。
Figure 2005535886
レンジ推定誤差のための方程式のシステムを、以下の行列の形式に当てはめることができる。
Figure 2005535886
また、部分行列α０からαＮ−２は、以下に示すように構成される。
Figure 2005535886
ノードがＮ＞２個である一般的な場合では、レンジ方程式の数は以下のようになる。
Figure 2005535886
また、未知の座標の数は以下のようになる。
Figure 2005535886
この方程式のシステムは、５個以上のノードを含むシステムでは過剰に特定されるようになる。システムが過剰に特定されるとき、最小２乗の意味における最適な解は、正規方程式を使用して方程式(4)をｄについて解くことにより発見することができる。
Figure 2005535886
好ましい実施形態では、モバイル内の位置処理モジュール105は、プロセス150のステップ154で、図６に示すような計算プロセス200を実行して、仮想コンステレーションを構成する。図６を参照すると、ステップ202で、位置処理モジュール105はグループ内のノードの各々について開始位置推定値のセット(ｘ,ｙ,ｚ)を仮定する。ノードＮ０は(０,０,０)に位置するように制約される。ノードＮ１は(ｒｍａｘ,０,０)で開始され、ｒｍａｘは、測距を実行することができる最大距離である。ノードＮ２は(ｒｍａｘ,ｒｍａｘ,０)で開始され、他のすべてのノードは(ｒｍａｘ,ｒｍａｘ,ｒｍａｘ)で開始される。
ステップ204で、位置処理モジュール105は、ノードｉおよびｊの各ペアについて推定レンジを計算する。
Figure 2005535886
また、方程式(5)および上述の部分行列α０からαＮ−２のための方程式に従って、α行列を形成する。
ステップ206で、位置処理モジュール105はレンジ推定誤差ベクトルを、推定レンジと対応する測定レンジの間の差から形成する。
Figure 2005535886
ステップ208で、位置処理モジュール105は、ステップ204からのα行列およびステップ206からのレンジ誤差ベクトルＲを使用して、以下のように位置調整ベクトルｄを計算する。
Figure 2005535886
ステップ210で、位置処理モジュール105は、ｄにおける調整値を、対応する推定値に適用する。
Figure 2005535886
ステップ212で、位置処理モジュール105はステップ202、204、206、208および210を所定回数の反復について、または、調整ベクトルのＲＭＳ値がある所定のしきい値より下がるまで繰り返す。ステップ212で、推定位置(ｘＫ,ｙＫ,ｚＫ)は、図５Ａに示すものなど、グループ内の個々のモバイルの位置によって定義された形状に対応する幾何学的形状のミラー・イメージ・ペアの一方のイメージを定義する、ノードの推定位置である。位置処理モジュール105は、図５Ｂに示すものなど、ミラー・イメージ・ペアの第２のイメージを生成し、これを、あらゆるノード位置(ｘＫ,ｙＫ,ｚＫ)におけるｘ，ｙまたはｚ座標のいずれかをネゲート(negating)することによって行う。すべてのｘ座標をネゲートすることは、イメージを、ｙ-ｚ面を通じて反射させる。すべてのｙ座標をネゲートすることは、イメージを、ｘ-ｚ面を通じて反射させる。すべてのｚ座標をネゲートすることは、イメージを、ｘ-ｙ面を通じて反射させる。ローカル座標系が任意であるので、これらの反射のいずれか１つを、ミラー・イメージ・ペアにおける第２のイメージとして利用することができる。
(仮想コンステレーションの水平方向付け)
本発明によれば、モバイルの各々で測定され、次いでネットワーク・グループの他のモバイルに通信された高度データが、プロセス150のステップ158で使用されて、プロセス150のステップ154で実行されたプロセス200によって決定されたものなど、仮想コンステレーションの向きが、真の水平面に対して調節される。仮想コンステレーションが仮想空間内で回転されて、測定された相対高度への仮想相対高度の最良適合の結果となる仮想コンステレーションの方向付けが発見される。この方向付けでは、仮想コンステレーションのピッチおよびロールはほぼゼロである。本明細書で参照を容易にするため、そのように位置合わせされている仮想コンステレーションを、ピッチおよびロール位置合わせ済(「ＰＲＡ」)コンステレーションと称する。適合の最適化は好ましくは、線形最小２乗推定、非線形最小２乗推定、最小平均２乗誤差推定、モーメント推定法、最尤推定、および最小分散推定のうち少なくとも１つを使用して実行され、これらは推定値を最適化するための周知の数学的技術である。
図７は、ネットワーク・グループの各モバイルでの移動査定モジュールで収集された高度データに基づいて、いかなるＧＰＳ固定値をも使用することなく、本発明により得られたミラー・イメージ・コンステレーションのペアの向きを水平に調節するための例示的プロセス250を例示する。図７を参照すると、ステップ252で、図２のモバイルＡなど、モバイルの位置処理モジュール105は、Ｎ個の離散点の仮想コンステレーションを３次元空間でＮ×３行列Ｃの形式において定義する。Ｃの各行は１つの点を表し、列エントリは点のｘ，ｙおよびｚ座標である。
ステップ254で、位置処理モジュール105は元のコンステレーションをｘおよびｙ軸の周囲に回転させて、回転されたｚ座標のベクトルを生成し、回転されたコンステレーションのz座標は、モジュールの実際の配置において対応するノードの測定された高度のためのよい適合である。ｘ軸の周囲の回転角がθであり、ｙ軸の周囲の回転角がφである場合、回転されたｚ座標のベクトルをＣから以下のように得ることができる。
Figure 2005535886
ステップ256で、モバイルＡなど、モバイルの位置処理モジュール105は、モバイルＢ，ＣおよびＤなど、他のモバイルの測定された高度の基準を、モバイルＡの測定された高度として、以下においてｔｚについての最小２乗解を発見することによって最適な回転を計算する。
Figure 2005535886
ただし、ｚｍは、ローカル・モバイル・ユニットの測定された高度が基準とされた、測定された高度のベクトルである。この解は以下のように容易に発見される。
Figure 2005535886
また、方程式(8)から得られた結果は３要素列ベクトルとなる。
Figure 2005535886
ステップ258で、位置処理モジュール105はφについて以下のように解く。
Figure 2005535886
−１＜ａ＜１では、方程式ａ＝sinφは、φについて−πからπの範囲で２つの解を有する。この最初の値がφ０として指定される場合、第２の値を以下のように得ることができる。
Figure 2005535886
−１＜ｂ＜１では、方程式ｂ＝sinθcosφは、θについて−πからπの範囲で４つの解を有するようになる。φの２つの可能な値の各々について、θについての２つの解があるようになる。
Figure 2005535886
元の仮想コンステレーションは、φおよびθの４つの異なる組み合わせに対応する２回転の４つの異なる方法であり、すなわち、(φ０,θ０)、(φ０,θ１)、(φ１,θ２)および(φ１,θ３)である。最小の平均2乗高度誤差の結果となる２回転は、正しい回転であると見なされる。
(仮想コンステレーションのアジマスに対する向き調節)
例示的実施例を続けると、上述の水平方向付け手順はすでに、仮想コンステレーションのミラー・イメージ・ペアに適用されており、図５Ａおよび５Ｂにそれぞれ示すように、ピッチおよびロール位置合わせされる、仮想コンステレーション203Aおよび203Bの向き調節されたペアが作成されている。本発明によれば、仮想コンステレーション203は続いてｚ軸の周囲で回転されて、これらのコンステレーションで観測された仮想アジマスが、グループのモバイルの実際の配置において測定されたアジマスと位置合わせされて、ヨー、ピッチおよびロールにおいて適切に向きが調節される単一の仮想コンステレーション205が生じる。
仮想コンステレーションにおけるミラー・イメージ曖昧性の解決は、すべてが直線にはない３つ以上の異なる緯度および経度位置のモバイルがＧＰＳ場所固定点を得ることができる場合、ＰＲＡコンステレーションのヨーを真のコンステレーションに対して決定するための従来技術に基づいて、容易に実行することができることに留意されたい。ＧＰＳ受信器はそれだけで、ＧＰＳコンステレーション内の少なくとも４つの衛星から直接パス信号を受信して、ＧＰＳ場所固定点を得ることができなければならない。３つのＧＰＳ固定点は、３つの固定点が上方から見られたときに特定の順序にある三角形を定義する。２つのＧＰＳ固定点は、既知の長さおよびアジマスの線を定義するので、対応する仮想線がＧＰＳ固定点によって定義された線と同じアジマスを有するようになるまで、仮想ＰＲＡコンステレーションを仮想的に回転させることができる。仮想コンステレーション内の対応する点は、正しいイメージ内の同じ順序で、かつ、正しくないイメージ内の逆の順序で進む。両方のイメージにおけるこれらの順序を検討することによって、逆の順序を生じるイメージが容易に廃棄される。
代替の好ましい実施形態では、グループのネットワーク・モバイルはさらにＧＰＳ機能を含み、グループの他のモバイルに対するそれらの相対位置についての情報を交換する。協調的に動作する２つのＧＰＳ受信器は、共にそれらがわずか３つの衛星から直接パスを受信することができるとき、合計で少なくとも５つの受信可能な衛星から受信器までの直接パスがあるならば、それぞれ位置固定点を得ることができる。本出願の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に組み込まれている、2003年8月11日に出願した「Method and System for Determining Absolute Positions of Mobile Communications Devices Using Remotely Generated Positioning Information」という名称の米国特許出願 を参照されたい。
水平に向きを調節された仮想コンステレーションの向きをアジマスに対して、ＧＰＳ情報なしに、本発明による移動測定値に基づいて調節し、それにより、モバイルＡ，Ｂ，ＣおよびＤの相対位置など、ヨー、ピッチおよびロールにおいて向きを調節された単一の仮想コンステレーションを識別するための流れプロセス300を、図８に示す。
好ましい実施形態では、移動査定モジュール103は、参照により本明細書に組み込まれている米国特許第5583776号に記載されているものなどの電子歩数計、ならびに、電子コンパスおよび気圧高度計を含む。移動査定モジュール103は歩数計をコンパスと共に使用して、モバイルを携行する個人が前方方向に歩行または走行するときにモバイルが移動する距離および方向を決定し、したがって、前方移動は一般に移動の正確な測定値である。移動査定モジュール103は、個人が静止しているか、あるいは前方歩行または走行以外のある方法で移動中であるときを区別し、これらの測定値を廃棄する。このように、前方歩行または走行以外の移動の方向および距離を推定することを必要とする、純粋な推測航法を使用して移動を測定する従来技術とは異なり、本発明は、個人が通常の前方歩行または走行以外のある方法で移動中であるときに進行された方向および距離の正確な推定値を必要とすることなく、モバイルの位置を追跡する。
好ましい実施形態では、移動査定モジュールは高度計、半導体電子コンパスおよび3つの加速度計を含む。加速度計の１つは垂直に取り付けられ、当技術分野で知られているように、歩行中に生じる足の衝撃を検出するための歩数計としての機能を果たすように構成される。他の２つの加速度計は水平に取り付けられ、一方の向きは前後に調節され、他方の向きは左右に調節される。水平加速度計で実行された測定値が使用されて、垂直加速度計によって提供された足の衝撃の指示が選別されて、通常の前方歩行または走行を他のすべての移動と区別することができることに備えられる。通常の前方移動の期間中は、電子コンパスによって指示された平均アジマスは、進行方向のよい推定値である。
例えば、個人が前方方向に歩行または走行するとき、この移動は仮想コンステレーションにおいて、移動前のコンステレーション形状から移動後のコンステレーション形状への変化として証明される。見かけの移動の線が、コンパスで測定された個人の動作の方向と一致するまで、仮想コンステレーションをｚ軸の周囲で回転させることができる。図９Ａは、移動前の図２のモバイルＡ，Ｂ，ＣおよびＤの元のコンステレーション203Aを例示し、図９Ｂは、モバイルＢ，ＣおよびＤが固定のまま残る間にモバイルＡが移動している、コンステレーション203AAを例示する。図８に例示するプロセス300に関連して後述するように、個人の移動ベクトルが、個人のモバイルにおける電子コンパスによって測定されたアジマスと一致する仮想アジマスを有するようになるまで、移動間隔の終了に対応するコンステレーションはアジマスにおいて回転される。この回転は効果的にグループ内の個人のすべてについてのコンステレーション全体の向きを調節する。いかなる単一の測定値もある測定誤差を含むようになり、したがって好ましい実施形態では、この計算は、異なるモバイルによってレポートされた複数の同時の移動に基づいた最良適合回転を含むことに留意されたい。さらに好ましい実施形態では、単一のヨー調整機会のための最適な回転は、最小２乗推定技術を使用して発見される。代替の好ましい実施形態では、角度回転は、水平に向きを調節された仮想コンステレーションの向きを調節するために、線形最小２乗推定、非線形最小２乗推定、最小平均２乗誤差推定、モーメント推定法、最尤推定、および最小分散推定のうち少なくとも１つを実行することによって推定され、これらは推定値を最適化するための周知の技術である。
デカルト平面におけるコンパス・アジマスおよび角度の間の変換において、北を正のｙ方向と同等と見なし、東を正のｘ方向と同等と見なすことが慣例的である。デカルト平面における標準の角度は、正のｘ軸から反時計回りで測定される。これらの変換の下で、アジマスＡ(度単位)および標準の角度θ(同じく度単位)は以下によって関係付けられる。
Figure 2005535886
モバイルＡがｒの距離をＡのアジマスで移動する場合、この移動のｘおよびｙ成分は以下の通りである。
Figure 2005535886
仮想コンステレーション内で、モバイル・ユニットｋの時間ｔ１での位置は(ｘｋ(ｔ１),ｙｋ(ｔ１))であり、時間t2での位置は(ｘｋ(ｔ２),ｙｋ(ｔ２))である。
図８を参照すると、ステップ302で、位置処理モジュール105は、仮想コンステレーション内の変化によって証明されるような、モバイルｋ(モバイルＡなど)の見かけの移動を表すベクトルｄａを生成し、以下の通りである。
Figure 2005535886
ステップ304で、位置処理モジュール105は、モバイルｋがｒの距離をＡのアジマスで移動しているところで、モバイルｋの測定された移動を表すベクトルｄｍを生成し、以下の通りである。
Figure 2005535886
本発明の好ましい実施形態では、ＰＲＡコンステレーションのヨーを調整するための機会の頻度および持続時間が変わるようになる。ヨー調整機会は、モバイルを有する他の数人の個人が移動中でない間に、モバイルを有する１人または複数の個人が通常の移動を実行する、例えば数秒などの時間間隔があるときは常に発生する。移動査定モジュールはいずれかの瞬間の個人の移動状況を監視し、この状況を、(1)移動なし、(2)方向および距離を高い信頼性を有して測定することができる通常移動、(3)方向および距離を、より少ない信頼性を有して測定することができる準通常移動、および(4)方向および/または距離を確実に測定することができない不規則移動として類別する。例えば、個人の電子コンパスは、個人がある方向に通常に移動するかどうかを測定する。移動中でない個人に対するこの個人の位置は、通常移動間隔の開始および終了で決定される。これらの２つの位置は、コンステレーションの固定された背景中の個人の見かけの通常移動の線、または移動ベクトル(「ＭＶ」)の開始および終了を定義する。全体的に、いくつかの異なるアジマスおよび移動ベクトルを得ることができる。移動測定値のすべてが完全であった場合、仮想コンステレーションの１つのアジマス回転は、移動ベクトルの各々をその対応する測定アジマスと位置合わせさせるようになる。実際には、測定値は完全にはならず、各ＭＶアジマス・ペアは、ＰＲＡコンステレーションを位置合わせさせるために異なる量のアジマス回転が必要とされることを示す可能性がある。
さらに好ましい実施形態では、移動査定モジュールは傾斜計を含み、傾斜計は、移動査定モジュールが立位および腹臥位における個人の移動を区別することを可能にするための情報を収集する。
再度図８を参照すると、ステップ306で、位置処理モジュール105は、見かけの移動ベクトルと測定された移動ベクトルの間の位置合わせ関係を決定する。仮想コンステレーションの向きが実際の配置に対して適切に調節される場合、この２つの移動ベクトルは互いに平行である。仮想コンステレーションの向きが、アジマスに対してではなく水平面に対して調節されている場合、仮想コンステレーションをｚ軸の周囲でψの角度を通じて回転させることによって、この２つの移動ベクトルを位置合わせさせることができる。これらのベクトルの間の関係を以下のように表すことができることは、解析幾何学からの周知の結果である。
Figure 2005535886
この結果を、ｋ個のモバイルがｔ１からｔ２の時間間隔中に移動する場合に拡張することができる。
Figure 2005535886
ＤａおよびＤｍが知られている場合、最小２乗技術を使用してＴｚについて解いて、以下を生じることが可能である。
Figure 2005535886
この制約なしの形式で解かれるとき、方程式(12)によって暗示されたａ＝ｄ，ｃ＝−ｂおよびａ２＋ｂ２＝１の制約は、実施されない可能性がある。Ｔｚにおいて冗長要素を除くために、方程式(11)を再公式化して、回転行列が２要素列ベクトルになるようにすることができる。
Figure 2005535886
最小２乗法を使用して、方程式(13)をｔｚについて以下のように解くことができる。
Figure 2005535886
ａ＝cosψおよびｂ＝sinψなので、ステップ308で、位置処理モジュール105は、それにより仮想コンステレーションが回転されなければならない角度ψを、以下のように決定する。
Figure 2005535886
図１０Ａ〜１０Ｄは、図２のモバイルのグループのミラー・イメージ仮想コンステレーションへの変化を例示し、これらは、ヨー調整機会中に行われた移動測定値に基づいて本発明により決定され、水平に向きを調節されており、本発明による仮想コンステレーションにおける曖昧性の解決に通じる。例えば、図１０Ａの左側のイメージが正しいものであるが、位置処理モジュールが、図１０Ａのどちらのイメージが正しいかを判断するためにプロセス300のステップを実行していないと仮定する。例えば、モバイルＡが、モバイルＡに含まれた電子コンパスによって測定されたような９０度の方位である距離を移動するとき、ヨー調整機会が発生する。モバイルＡのこの移動は結果として、リンクＡＣおよびＡＢのための新しいレンジ測定値をもたらし、２つの移動ＡＣおよびＡＢベクトルならびに２つのコンステレーション・イメージを、図１０Ｂに示すように生じる。しかし、図１０Ｂの２つのコンステレーション・イメージはなお、ミラー・イメージ対称を示す。図１０Ｃは、各移動ベクトルが右を指してこれらのコンステレーション・イメージのヨー調整されたバージョンを示すように回転された、２つのコンステレーション・イメージを示す。第２のヨー調整機会は、モバイルＢが、その電子コンパスによって測定されたようなゼロ度の方位である距離を移動するとき、発生する。この移動は結果として、リンクＢＣおよびＢＡのための新しいレンジ測定値をもたらし、これらの移動ベクトルおよび２つのコンステレーション・イメージを、図１０Ｄに示すように生じる。図１０Ｄの左側のイメージにおける移動ベクトルは北を指し、モバイルＢのコンパスによって測定された方位と一致する。右側のイメージにおける移動ベクトルは南を指し、測定された方位と矛盾し、したがって、右側のイメージを正しくないものとして拒否することができる。
本発明の好ましい実施形態によれば、移動ベクトルを、通常または準通常移動に従事されたモバイルについてのみ決定することができる。好ましい実施形態では、位置処理モジュールは、モバイルのグループによって示された移動のパターンが、ヨー調整機会が大変まれに発生するようなものである環境を明らかにする。ヨー調整なしに多すぎる時間が経過する場合、位置処理モジュールは、仮想コンステレーションの方向付けが古く、したがって、グループの個々のメンバーに表示するための絶対方位情報の導出には不適当であると宣言する。近隣の個人の相対位置はなおこれらの状態下で表示することができるが、これらの表示における相対位置情報は絶対方向に関係しておらず、その代わりに、ディスプレイを着用する個人のための移動ベクトルの見かけの方向が基準とされる。このように、モバイルが移動中でないか、あるいは、移動査定モジュールが不規則であると見なす移動に従事している場合、最新の満足できる移動ベクトルは、新しい移動ベクトルを計算することが可能となるような時間まで、基準として保持される。
好ましい実施形態では、位置表示モジュール106は、ネットワーク・グループのモバイルの相対位置を、コンパス方位、および、ネットワーク・グループ内の各モバイルからすべての他のモバイルへの相対距離の形式において表す。さらに好ましい実施形態では、位置表示モジュール106は、計算された相対位置に基づいて、ユニバーサル横メルカトル座標または緯度および経度に対するモバイルの絶対位置を決定する。
さらに好ましい実施形態では、本発明のモバイルは、当技術分野で知られているような長距離無線通信機能をデータ・トランシーバ・モジュールで含み、計算された相対位置情報を、リモートに位置する通信ベース・ユニットなど、別の通信デバイスに通信する。
さらに好ましい実施形態では、モバイル101は、完全ＧＰＳ機能を含むベンチマーク・ユニットである。ベンチマーク・モバイルは好ましくは、空いている用地または屋上など、ＧＰＳコンステレーションの十分な可視性を有する場所に配置される。ベンチマーク・モバイルはそのＧＰＳ機能を、当技術分野で周知のように使用して、緯度および経度の両方に対して、かつ、グループのモバイルのいずれかによって提供された相対位置情報に基づいて他のチーム・メンバーに対して、その位置を決定する。この情報に基づいて、ベンチマーク・モバイルは、ベンチマークに対する各チーム・メンバーの絶対位置を計算する。
ネットワーク・モバイルのグループが４つより少ないモバイルを含む、好ましい実施形態では、このグループは、本発明により相対位置を計算することができることに備えるために、合計のモバイルにベンチマーク・モバイルを加えたものが少なくとも４つであるように、ベンチマーク・モバイルを含まなければならない。
本発明のネットワーク・モバイルのグループにおけるモバイルのうち１つが、意図的に固定位置に配置されるベンチマーク・モバイルである、好ましい実施形態では、ベンチマーク・モバイルは、他のモバイルが作戦的に行動するときにそれらの相対位置を決定する助けとなる、追加の基準点を提供する。ベンチマーク・モバイルのＧＰＳ機能が使用可能でない場合、ベンチマーク・モバイルはコンステレーション内に固定ノードを提供して、真の配置が急速な変化を受けるときに仮想コンステレーションの円滑な展開を助ける。もう１つの好ましい実施形態では、ベンチマーク・モバイルはモバイルのグループの伝播パスの結び付きに配置され、別の方法では互いと通信または互いに測距することができない複数のモバイルの間で、データおよび測距信号を中継する。例えば、ベンチマーク・モバイルは、軍隊によって探索されているトンネル群内の曲がり角に配置されるようになる。
さらに好ましい実施形態では、ベンチマーク・モバイルは、グループのモバイルの計算された相対位置をリモート・コマンド・ポストに送信するための長距離無線通信機能を含む。
本発明の好ましい実施形態を説明および例示したが、本発明の原理から逸脱することなく様々な修正を作成することができることは、当業者には明らかになるであろう。
ビル内で分散された個人のグループの斜視図である。 各々が本発明の好ましい実施形態によるモバイル通信デバイスを携行中である個人のグループの、３次元空間における複数の点のコンステレーションとしての例示の図である。 本発明の好ましい実施形態によるモバイル通信デバイスの機能ブロック図である。 本発明による、ネットワーク・モバイル通信デバイスのグループの相対位置を決定するためのプロセスの流れ図である。 図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ図２の個人の位置の仮想コンステレーションの真のイメージおよびミラー・イメージの図である。 本発明によるネットワーク・モバイルのグループの実際の位置によって定義された幾何学的形状を決定するためのプロセスの流れ図である。 本発明によるネットワーク・モバイルのグループの推定された幾何学的形状の向きを水平に調節するためのプロセスの流れ図である。 ネットワーク・モバイルのグループの推定された幾何学的形状の向きをアジマスに対して調節するためのプロセスの流れ図である。 図９Ａは、モバイルＡの移動前の図２の個人を表すコンステレーションの図であり、図９Ｂは、モバイルAの移動後の図２の個人を表すコンステレーションの図である。 図１０Ａ〜図１０Ｄは、本発明による移動データ処理に基づいて位置を調節された、それぞれ図２の真のイメージおよびミラー・イメージ仮想コンステレーションの例示の図である。

Claims (37)

  1. 無線ネットワーク・グループの少なくとも４つのモバイル通信デバイスの３次元における相対位置を決定するための方法であって、
    前記グループの前記モバイルの各々にトランシーバを、前記グループの他の各モバイルの前記トランシーバと無線通信するために提供するステップと、
    前記グループの前記モバイルの各々と前記グループの他のモバイルの各々の間のレンジをそれぞれ測定するステップであって、前記測定は、前記グループの前記各モバイルの間の無線通信から得られた伝播時間データに基づくステップと、
    前記レンジに基づいて、前記グループの前記モバイルの各々の推定された実際の場所を表す第１および第２の仮想コンステレーションを構成するステップであって、前記第１のコンステレーションは、前記第２のコンステレーションのミラー・イメージであるステップとを備える方法。
  2. 前記グループの前記モバイルの各々で、共通高度較正点に対する前記モバイルの高度を測定するステップと、
    前記第１および第２のコンステレーションの向きを前記高度に基づいて水平に調節するステップとをさらに備える、請求項１に記載の方法。
  3. 前記グループの前記モバイルの各々で移動の距離および方向を測定するステップと、
    前記水平に向きを調節された第１および第２のコンステレーションの向きを、前記グループの前記各モバイルの前記移動の距離および方向に基づいて、アジマスに対して調節するステップとをさらに備える、請求項２に記載の方法。
  4. 前記第１および第２のコンステレーションの前記水平およびアジマスの向き調節の後に続いて、前記第１および第２のコンステレーションのうち一方を、前記グループの前記モバイルの前記相対位置の真のイメージとして、前記グループの前記モバイルの前記測定された移動の前記方向の一貫性に基づいて選択するステップをさらに備える、請求項３に記載の方法。
  5. 前記モバイルの第１のものと前記モバイルの第２のものの間で測定された前記レンジを、前記第１のモバイルまたは前記第２のモバイルに無線通信するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
  6. 所定の間隔で、タイム・スタンプと共に、前記モバイルの各々での前記高度測定値を、前記グループの他のモバイルの各々に無線通信するステップをさらに備える、請求項２に記載の方法。
  7. 所定の間隔で、前記モバイルの各々のための前記測定された移動の距離および方向を、移動なし、通常の前方歩行または走行、および、前方歩行または走行以外の動作として類別し、タイム・スタンプと共に、前記グループ内の前記モバイルの各々からの前記移動類別を、前記グループの他のモバイルの各々に無線通信するステップをさらに備える、請求項３に記載の方法。
  8. 所定の間隔で、前方歩行または走行として類別された前記移動を有する前記モバイルの各々について、タイム・スタンプと共に、前記移動の前記測定された方向および距離を前記グループ内の他のモバイルに無線通信するステップをさらに備える、請求項７に記載の方法。
  9. 前記レンジを測定する前記ステップは、超広帯域信号、音響測距信号および光測距信号のうち少なくとも１つを送信するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
  10. 前記レンジを測定する前記ステップは、無線周波数搬送波信号上で変調された擬似ランダム・シーケンスを相関させるステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
  11. 前記各モバイルの前記トランシーバは、無線通信信号上で、前記モバイルについて測定された移動、レンジおよび高度を前記グループの他のモバイルの各々に送信する、請求項３に記載の方法。
  12. 前記移動を測定する前記ステップは、検出された動作およびコンパス方位を表すタイム・スタンプ付きデータを生成するステップをさらに備える、請求項３に記載の方法。
  13. 前記仮想コンステレーションの向きを水平に調節する前記ステップは、前記各モバイルの測定された高度と、前記水平に向きを調節された仮想コンステレーションに対応する高度の間の適合を最適化するステップをさらに備える、請求項２に記載の方法。
  14. 前記適合を最適化する前記ステップは、線形最小２乗推定、非線形最小２乗推定、最小平均２乗誤差推定、モーメント推定法、最尤推定、および最小分散推定のうち少なくとも１つを実行するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記モバイルの少なくとも１つでの通常の歩行または走行動作の測定された間隔と、前記１つのモバイルに帰せられる対応する仮想の移動の間の適合を、前記仮想コンステレーションの推定された３次元幾何学的形状における変化に基づいて最適化するために、前記仮想コンステレーションの向きを北に対して調節するステップをさらに備える、請求項７に記載の方法。
  16. 線形最小２乗推定、非線形最小２乗推定、最小平均２乗誤差推定、モーメント推定法、最尤推定、および最小分散推定のうち少なくとも１つを実行することによって、前記仮想コンステレーションの向きを調節するために、角度回転を推定するステップをさらに備える、請求項７に記載の方法。
  17. 前記モバイルの各々で前記レンジ、移動および高度を測定する前記ステップを定期的に繰り返し、次いで、前記第１および第２のコンステレーションを構成する前記ステップと、その後に続く、前記第１および第２のコンステレーションの向きを水平に調節する前記ステップと、次いでその後に続く、前記水平に向きを調節された第１および第２のコンステレーションの向きをアジマスについて調節する前記ステップと、次いで、前記水平およびアジマスに向きを調整された第１および第２のコンステレーションから前記真のイメージを選択する前記ステップとを繰り返すステップとをさらに備える、請求項３に記載の方法。
  18. 前記グループの前記モバイルの前記相対位置を、前記グループの前記モバイルの前記場所から離れた場所に送信するステップをさらに備える、請求項３に記載の方法。
  19. 前記グループ内の前記モバイルの１つは固定された場所にある、請求項１に記載の方法。
  20. 前記１つのモバイルは全地球測位システム機能を有する、請求項１９に記載の方法。
  21. 前記固定された場所は実質的に、前記グループの他のモバイルの通信伝播パスの結び付きにある、請求項１９に記載の方法。
  22. 少なくとも４つの無線ネットワーク・モバイル通信デバイスのグループの相対位置を決定するためのモバイル通信デバイスであって、
    前記グループの他の各モバイルの各々に含まれた測距トランシーバ・モジュールおよびデータ・トランシーバ・モジュールと無線通信するための、測距トランシーバ・モジュールおよびデータ・トランシーバ・モジュールであって、前記測距トランシーバ・モジュールは前記グループの他のモバイルの各々へのレンジを測定し、前記測定は、前記グループの他の各モバイルの各々との無線通信から得られた伝播時間データに基づく、測距トランシーバ・モジュールおよびデータ・トランシーバ・モジュールと、
    前記測定されたレンジ、および、前記グループの他のモバイルの各々で生成され、前記データ・トランシーバ・モジュールで受信されたモバイルからモバイルへのレンジに基づいて、前記グループの前記モバイルの各々の推定された実際の場所を表す第１および第２の仮想コンステレーションを構成するための位置処理モジュールであって、前記第１のコンステレーションは、前記第２のコンステレーションのミラー・イメージである位置処理モジュールとを備えるデバイス。
  23. 共通高度較正点に対する前記モバイルの高度を測定するための移動査定モジュールをさらに備え、前記位置処理モジュールは、前記第１および第２の仮想コンステレーションの向きを、前記測定された高度、および、前記グループの他のモバイルの各々で測定され、前記データ・トランシーバ・モジュールで受信された高度に基づいて、水平に調節する、請求項２２に記載のデバイス。
  24. 前記移動査定モジュールは移動の距離および方向を測定し、前記位置処理モジュールは、前記水平に向きを調節された第１および第２のコンステレーションの向きを、(i)前記測定された移動の距離および方向、および、(ii)前記グループの他のモバイルの各々で測定され、前記データ・トランシーバ・モジュールで受信された移動の距離および方向に基づいて、アジマスに対して調節する、請求項２３に記載のデバイス。
  25. 前記位置処理モジュールは、前記第１および第２のコンステレーションの前記水平およびアジマスの向き調節の後に続いて、前記第１および第２のコンステレーションのうち一方を、前記グループの前記モバイルの前記相対位置の真のイメージとして、前記グループの前記モバイルの前記測定された移動の前記方向の一貫性に基づいて選択する、請求項２４に記載のデバイス。
  26. 前記データ・トランシーバ・モジュールは、前記グループの前記モバイルの第１のものに対して前記測定されたレンジを、前記グループ内の他のモバイルの少なくとも１つに無線通信する、請求項２２に記載のデバイス。
  27. 前記データ・トランシーバ・モジュールは、所定の間隔で、タイム・スタンプと共に前記高度測定値を、前記グループの他のモバイルの各々に無線通信する、請求項２３に記載のデバイス。
  28. 前記移動査定モジュールは、所定の間隔で、前記測定された移動の距離および方向を、移動なし、通常の前方歩行または走行、および、前方歩行または走行以外の動作として類別し、前記データ・トランシーバ・モジュールは、タイム・スタンプと共に、前記移動類別を、前記グループ内の他のモバイルの各々に無線通信する、請求項２４に記載のデバイス。
  29. 前記データ・トランシーバ・モジュールは、所定の間隔で、タイム・スタンプと共に、前方歩行または走行として類別された前記移動の前記測定された方向および距離を、前記グループ内の他のモバイルの各々に無線通信する、請求項２８に記載のデバイス。
  30. 前記測距トランシーバ・モジュールは、前記レンジを測定するために、超広帯域信号、音響測距信号および光測距信号のうち少なくとも１つを送信する、請求項２２に記載のデバイス。
  31. 前記測距トランシーバ・モジュールは、前記レンジを測定するために、無線周波数搬送波信号上で変調された擬似ランダム・シーケンスを送信する、請求項２２に記載のデバイス。
  32. 前記データ・トランシーバ・モジュールは、無線通信信号上で、前記モバイルについて測定された移動、レンジおよび高度を、前記グループの他のモバイルの各々に送信する、請求項２４に記載のデバイス。
  33. 前記移動査定モジュールは、検出された動作およびコンパス方位を表すタイム・スタンプ付きデータを生成する、請求項２４に記載のデバイス。
  34. 前記位置処理モジュールは、前記仮想コンステレーションの水平の方向付けの一部として、前記各モバイルの測定された高度と、前記水平に向きを調節された仮想コンステレーションに対応する高度の間の適合を最適化する、請求項２３に記載のデバイス。
  35. 前記適合の前記最適化は、線形最小２乗推定、非線形最小２乗推定、最小平均２乗誤差推定、モーメント推定法、最尤推定、および最小分散推定のうち少なくとも１つを実行することを含む、請求項３４に記載のデバイス。
  36. 前記位置処理モジュールは、前記モバイルの少なくとも１つでの通常の歩行または走行動作の測定された間隔と、前記１つのモバイルに帰せられる対応する仮想の移動の間の適合を、前記仮想コンステレーションの推定された３次元幾何学的形状における変化に基づいて最適化するために、前記仮想コンステレーションの向きを北に対して調節する、請求項２８に記載のデバイス。
  37. 前記仮想コンステレーションの前記向き調節は、線形最小２乗推定、非線形最小２乗推定、最小平均２乗誤差推定、モーメント推定法、最尤推定、および最小分散推定のうち少なくとも１つを実行することによって達成される、請求項２８に記載のデバイス。
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